Figure 21. Schematic of bracelet-STEG (a) The structure design of the STEG.
(b) Electric circuit diagram of total connect circuit.
3. 결과 및 고찰
첫 번째 실험은 기존의 소자를 외투에 부착시킨 후 손으로 소자가 있는 부분에 힘을 가했을 때의 전압과 전류를 측정하였다(Fig.22a-c). 전압은 1~4V 정도의 값 이 나왔으며, 전류는 300nA~1.5μA 범위에서 결과 값을 나타냈다. 실제 환경에 적용하여 실험하는 조건에 따라 결과 값은 가해진 힘에 비례하여 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 두 번째 실험은 같은 조건에서 외투를 펄럭일 때의 결과 값을 측정한 것이며(Fig.22d-f). 첫 번째 실험보다 적은 힘이 가해짐에 따라 전체적으 로 전압과 전류 값이 감소한 것을 알 수 있다. 전압은 0.2에서 0.7V 범위에서 변 화하며 발생하고 전류는 50에서 200nA 범위에서 발생하는 것을 확인하였다.
Figure 22. Output performance of fabric-STEG in jacket (a) Photograph of the device in hit condition: (b) Open-circuit voltage and (c) short-circuit current. (d) Photograph of the device in flutter condition: (e) Open-circuit voltage and (f) short-circuit current.
이어서, 팔찌형태로 제작한 마찰전기 발전소자를 이용하여 손목부분에 충격을 가할 때와 소매 안에서 마찰되는 조건을 설정하여 실험하였다. 세 번째 실험은 제작한 STEG을 착용한 후 손목부분에 충격을 가해서 책상이나 다른 물체에 부 딪히는 경우에 발생하는 결과 값을 측정하였다. 소자의 크기가 줄어들어 접촉 면 적이 작아짐에 따라 전체적으로 앞의 소자보다 적은 양의 전압과 전류 값을 발 생하는 것을 알 수 있으며 전압은 0.7에서 1.5V, 전류는 200에서 900nA 범위에서 전기를 생산하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 소자와 LED를 연결하여 실험을 진행하였으며 4개의 LED를 구동하는 것을 삽입된 부분을 통해 확인할 수 있다.
마지막으로 소자가 소매 안에서 움직임에 따라 마찰되는 경우에 대해 실험하였
다. 실제로 팔찌나 시계가 착용된 상태에서 팔을 움직일 때마다 소자와 직물간의 작은 마찰이 계속 있기 때문에 동일한 환경을 설정하여 실험하게 되었다. 소자를 소매 안으로 넣고 손목만 흔들었을 경우 슬라이딩 모드와 같이 PDMS와 직물이 옆으로 이동하면서 마찰전기가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 마지막 실험에서 는 전압은 0.03~0.15V 범위에서 측정되었고 전류는 180~760nA 범위에서 측정되 었다.
Figure 23. Output performance of bracelet-STEG. (a) Photograph of the device in shake condition: (b) Open-circuit voltage and (c) short-circuit current. (d) Photograph of the device in shake condition (e) Open-circuit voltage and (f) short-circuit current.
4. 요약
앞에서 연구한 마찰전기 발전소자를 이용하여 웨어러블 디바이스 형태로 제작 하여 다양한 신체움직임에 적용하여 실험하였다. 팔이나 손이 움직일 때마다 생 기는 작은 마찰에서부터 책상이나 벽에 부딪히는 충격까지 여러 조건에서 소자 가 전기를 생산하는 것을 확인할 수 있었다. 높게는 4V에서 적게는 0.15V까지 실제 환경에서 전압이 발생하는 것을 측정 그래프를 통해 나타내었으며 전류 또 한 최대 1.5μA까지 생산하는 것을 볼 수 있었다. 여기에 LED를 연결하여 구동 하는 실험을 하였으며 소자에서 발생한 전기가 곧바로 LED를 밝히는 것을 확인 할 수 있었다. 이 실험을 통해 마찰전기 발전소자가 버려지는 에너지를 수확항 전기를 생산하는 것을 알 수 있었으며 이를 웨어러블 디바이스에 적용하여 다양 한 인체움직임에서 전압과 전류를 발생하는 것을 확인하였다. 이것은 본 논문에 서 말하고자하는 마찰전기 발전소자의 목적과 중요성에 대해 직접적으로 보여주 는 결과이기도 하다. 그러나 실제 소자를 상용화하기 위해서는 정전기가 전자제 품에 영향을 미치지 않도록 보호하는 방법 및 마찰되는 직물이 없을 경우를 생 각한 다른 구조들에 대한 추가적인 실험과 연구가 필요하다.
앞으로 추가적인 실험을 통하여 상용화할 수 있는 발전소자를 제작하고 알맞은 저장장치를 연결하여 최종적으로는 자가발전 웨어러블 디바이스를 개발하고 이 를 실제 환경에 적용하여 구동하고자 한다.